一种硅-碳复合锂离子电池负极材料制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种硅

【技术实现步骤摘要】
一种硅
‑
碳复合锂离子电池负极材料制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别涉及一种硅
‑
碳复合锂离子电池负极材料制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池主要由正极、负极和电解液组成。正、负极材料均采用可提供锂离子脱嵌的材料。当对锂离子电池进行充电时，正极材料被氧化，负极材料被还原，锂离子从正极脱出，经过过电解液迁移并嵌入到负极，而电子则在同时由正极经过外电路流向负极，由此实现化学能到电能的转化。相反地，当锂离子电池进行放电时，锂离子则从负极脱出，嵌入到正极中，而电子由正极通过外电路流入负极，将电能转化为化学能。因此，锂离子电池进行充放电的过程，实际上是锂离子在正、负极材料中嵌入、脱出的过程，并以此实现化学能和电能的相互转化。
[0003]金属锂在目前已知的所有材料中具有最小的电化学当量，最负的标准电极电位，被最早作为锂离子电池的负极材料进行了广泛的研究，但是金属锂作为负极的电池安全性和循环稳定性都较差，这主要是因为金属锂在电解液中没有办法形成稳定的SEI膜，并且常常会产生锂枝晶导致的。随后，科学工作者们使用嵌锂化合物代替了金属锂作为电池负极，带来了锂离子电池商业化应用的巨大成功。目前研究的负极材料主要包括以下几类：碳类材料，金属及合金类材料，金属氧化物材料，锂金属氮化物材料。
[0004]在目前已知的储锂材料中，硅的理论比容量最高(4200mAh/g)，储量丰富，并且硅的嵌锂电位较高，即使在大倍率下工作也不会形成锂枝晶，安全性好，是非常具有潜力的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅负极也存在一些缺点，主要表现为以下几个方面：1、硅负极在电化学脱嵌锂的过程中，伴随着高达300％的巨大体积变化，由此产生的机械作用力会造成硅颗粒的破碎、粉化，使硅颗粒与集流体的电接触丧失，造成硅负极材料容量的急剧衰减，表现为极差的循环稳定性。2、硅是一种半导体材料，在作为电极材料时需要加入高导电材料。3、硅在传统电解液中因为能够与LiPF6分解产生的HF进行反应，因此不易形成稳定的SEI膜，这使电极的库伦效率和容量保持率较低。而硅在充放电过程中，因为体积效应会不断暴露出新的硅，更是加剧了这一反应。
[0005]为了解决上述问题，近十年来，科学工作者们围绕着降低硅负极的体积效应，增加硅材料的电导率和探索新型电解液体系及粘结剂体系等方面做了很多的探索和研究。其中，硅负极材料的改性可归纳为四个方面：一是减小硅材料的尺度到纳米级，研究表明，亚微米级及纳米级材料能够有效缓解硅的体积膨胀效应；二是制备多孔硅材料，利用硅颗粒内部的孔道结构来缓解硅在电化学反应中体积效应，这种孔道结构可以是微孔、介孔、大孔、空心或者是多种孔道结构的复合；三是向硅材料中引入高导电碳材料，碳材料不仅能够增加材料的电导率，并且能够有效吸收缓解硅在体积变化过程中产生的应力；四是在硅材料中引入第二金属相，金属一般具有高导电性、良好地延展性和较高的机械强度，因此能够在增加材料整体电导率的同时缓解硅的体积效应。
[0006]经过现有的技术和文献检索发现：专利文献(CN1913200 A)公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是提高电池的比容量，本专利技术的材料以硅相粒子和碳相粒子的复合颗粒为基体，呈球形或类球形，外包覆有碳包覆层，制备方法:将硅相粒子粉碎，硅相粒子和碳相粒子混合造粒后的复合颗粒基体与有机物热解炭的前驱体混合包覆，碳化处理，破碎打散。
[0007]专利文献(CN201310710661.9)公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料生产方法，将硅粉中加入炭粉混合，紧接着加入石油沥青或煤沥青微粉在常温下进行充分混合，再在200～400℃温度下进行软化融合，观察沥青软化后进行冷却，粉碎得到原料A.将炭粉，天然石墨粉，人造石墨粉或其混合物进行炭化或石墨化或先炭化后石墨化处理，得到原料B.以石油沥青或煤沥青微粉为原料C.以煤焦油为原料D.将以上原料按一定的比例进行充分混合后再加入原料D继续充分混合，然后加压制成块状，进行低温烧结处理，将烧结后块状物料进行粉碎，机械融合，最终得到硅碳复合负极材料。
[0008]上述方法通过将硅和碳进行不同方式的混合的热解处理得到硅
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碳复合锂离子电池负极材料。采取的方法理论上对于硅
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碳复合负极材料的放电比容量和使用持久性具有提升效果，但是在专利一中该方法制备的硅
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碳复合负极材料存在包覆和混合的不均匀性问题，无法保证碳的均匀分布，而专利二中制备的硅
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碳复合负极材料虽然在原料上有所创新，但是还是无法解决混合不均匀的问题，另外，上述两种方法制备的材料性能提升也不是很有限。本方法针对硅
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碳复合负极材料的放电比容量和使用持久性进行增强，通过工艺及组分的双重改进得到的一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料，适合应用于大规模的工业推广。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在提供一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法，通过在相关的工艺及原料改进下，对于硅
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碳复合负极材料的放电比容量和使用持久性的提高具有明显的增益效果。
[0010]本方法重点：1、本专利技术中在进行一次球磨过程中，球磨的时间不能太长，避免破碎的硅颗粒粒度太低，造成后期在于银粉进行球磨时，无法达到嵌合的效果，另外，也不宜降低转速提高球磨时间，这样会导致得到破碎的硅颗粒不均匀；2、本专利技术需优先进行石墨烯与破碎硅颗粒的球磨，再进行与纳米银粉的球磨，再进行与酚醛树脂纤维的球磨，这样更有利于利用银将石墨烯“锁在”破碎的硅颗粒内，外层为热解的碳，中间为银层；3、本专利技术中与银的球磨过程中，球磨转速不宜过高或过低，高了会导致硅颗粒的进一步破碎，低了则会导致银无法嵌合到破碎的硅颗粒内部。
[0011]本专利技术涉及的一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法的具体实施方案如下：
[0012]S1，按质量比例配置原料
[0013]按质量比例配置原料：石墨烯粉体：5
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15份，空心纳米硅粉末：55
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75份，酚醛树脂纤维：20
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30份，纳米银粉2
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10份；
[0014]其中石墨烯粉体层数为2
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4层；
[0015]空心纳米硅粉末粒度为100
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200nm，壁厚10
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30nm；
[0016]纳米银粉粒度为3
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15nm；
[0017]酚醛树脂纤维长度为0.2
‑
1.5um，直径为10
‑
20nm；
[0018]S2，通过一、二次球磨得到石墨烯包覆的纳米硅粉末
[0019]将空心纳米硅粉末进行真空行星式球磨得到破碎的不规则纳米硅粉末，球磨转速为300
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400rpm，球磨时间为40<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，包括：按质量比例配置原料；通过一、二次球磨得到石墨烯包覆的纳米硅粉末；通过三、四次球磨得到硅
‑
碳复合前置材料；通过热解得到硅
‑
碳复合负极材料。2.根据权利要求1所述的一种硅
‑
碳复合锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，所述按质量比例配置原料的步骤，包括：按质量比例配置原料：石墨烯粉体，空心纳米硅粉末，酚醛树脂纤维，纳米银粉；所述通过一、二次球磨得到石墨烯包覆的纳米硅粉末的步骤，包括：将空心纳米硅粉末进行真空行星式球磨得到破碎的不规则纳米硅粉末；将不规则纳米硅粉末与石墨烯进行二次真空球磨得到石墨烯包覆的纳米硅粉末；所述通过三、四次球磨得到硅
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碳复合前置材料的步骤，包括：将石墨烯包覆的纳米硅粉末与纳米银粉末进行第三次真空球磨处理；将含银的混合粉末与酚醛树脂纤维进行第四次真空球磨处理得到硅
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碳复合前置材料；所述通过热解得到硅
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碳复合负极材料的步骤，包括：将硅
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碳复合前置材料放入管式炉中进行热解处理得到硅
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碳复合负极材料。3.根据权利要求2所述的一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，所述按质量比例配置原料：石墨烯粉体，空心纳米硅粉末，酚醛树脂纤维，纳米银粉，包括：石墨烯粉体：5
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15份，空心纳米硅粉末：55
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75份，酚醛树脂纤维：20
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30份，纳米银粉2
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10份。4.根据权利要求3所述的一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，石墨烯粉体：5
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15份，空心纳米硅粉末：55
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75份，酚醛树脂纤维：20
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30份，纳米银粉2
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10份，包括：其中石墨烯粉体层数为2
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4层；空心纳米硅粉末粒度为100
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200nm，壁厚10
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30nm；纳米银粉粒度为3
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15nm；酚醛树脂纤维长度为0.2
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1.5um，直径为10
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20nm。5.根据权利要求2所述的一种硅
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碳复合锂离子电池负极材料制备方法，其特征在于，所述将空心纳米硅粉末进行真空行星式球磨得到破碎的不规则纳米硅粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹迁，王乐莉，
申请(专利权)人：上海滩泰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：